如何利用3D打印制造一體化結構？
3D打印的突出特點有兩個：免除模具以及制造成本對設計的復雜性不敏感。
免除模具的特點使得3D打印適合用于產品原型、試制零件、備品備件、個性化定制、零件修復、醫療植入物、醫療導板、牙科產品、耳機產品等小批量個性化的產品。而傳統制造工藝，如果產品的設計過于復雜，那么對應的制造成本就會十分昂貴。3D打印對所占用的材料成本更加敏感，而對設計的復雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產品，包括一體化結構、仿生學設計、異形結構、輕量化點陣結構、薄壁結構、梯度合金、復合材料、超材料等等。
然而在實際應用中，有些已經應用3D打印技術的制造企業，僅是通過3D打印技術快速制造小批量試制產品，企業看重的是3D打印技術所能夠縮短的研發試制周期和節省的模具費用。在這些應用中，通過3D打印制造的產品設計仍是根據傳統制造工藝設計思維所設計的產品。而3D打印制造復雜性產品的優勢，尤其是在民用產品制造領域并未得到充分的利用。
實現“瘦身” 以及功能的集成
3D打印技術可以實現復雜部件的一體化制造，這為零部件設計帶來了優化的空間，設計師可以嘗試將原本通過多個組件裝配的復雜部件，進行一體化設計。這種方式不僅實現了零件的整體化結構，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功能最優化設計。
在航空航天制造領域，一體化結構的實現除了帶來輕量化的優勢，減少組裝的需求也為發動機打開提升效益的想象空間。3D打印技術的這一優勢受到了重視，并成為下一代發動機研發技術的搶灘高地。比如說，GE 發現其 GE Catalyst 渦槳發動機中，有855個單獨的部件可以通過增材制造技術組合成12個部件。在火箭發動機的制造中，制造一體化部件也是3D打印重要的應用方向。
NASA 開發的3D打印一體化零件
3D打印 “復雜化”優勢，帶來了發動機部件數量的減少，但這不并是“一體化”的全部含義。3D打印一體化部件的含義中還包括功能與結構的集成，比如說零件壁同時兼具散熱功能。
法國賽峰對一款發電機外殼進行了設計優化，過去由幾個復雜加工零件組成的部件轉變為一個功能集成3D打印電機外殼，整體零件數量和制造時間得以減少。
這是以增材制造技術為主導的主動設計思維方式，即在設計之初，以考慮產品的功能性為主，而不用花費精力去考慮結構裝配的問題。跳出原有的設計思維，也許會帶來完全不同的產品。
不僅僅是航空航天領域，3D科學谷觀察到，在國際上，汽車、機床零部件制造、消費品等多個制造領域都有嘗試用3D打印技術制造一體化零件的案例。
對汽車一體化結構的探索
Altair、APWORKS、csi, EOS、GERG與賀利氏（Heraeus）曾利用金屬3D打印技術對大眾開迪汽車前端構造進行再制造。
前端構造包含了主動冷卻和被動冷卻的細節設計，例如用于冷卻電池和剎車系統的氣流管道。另外，熱處理、被動安全和液體貯存相關功能，也被整合進前端模塊的仿生學負重設計中。附加功能與結構相結合的一個例子就是浸液罐，它可以整合進前端構造。遵循著這些目的，設計師開始設計、開發并建造前端結構。
在這個案例中，3D打印的一體化結構實現，即用最少的部件配置滿足最多的技術性能需求，將為汽車制造提供創新性的思路。
不僅是輕量化
在通用汽車使用創成式設計和3D打印技術，對一款汽車座椅支架進行重新設計。
創成式設計與3D打印技術的結合不僅是帶來了輕量化的支架，還將原來的許多零部件合并為一體，顯著壓縮產品開發過程。工程師可以獲得數百個可供制造的設計選項，這些選項是他們無法手動設計的，而且只需要花費一小部分時間來驗證單一設計，結構一體化帶來供應鏈的壓縮和組裝成本的降低。參考閱讀：通用汽車采用Autodesk創成式設計
功能集成噴嘴的設計
Innogrind公司為磨削設備提供的鈦金屬冷卻液噴嘴。設計師利用3D打印自由造型方面的優勢，將噴嘴設計為一個功能集成的一體化結構。噴嘴通道的幾何形狀根據專業知識、經驗和流動模擬進行了優化設計，在保證功能的前提下，噴嘴由幾個獨立組件組裝而成的結構，變為一個緊湊的一體式零件。
同樣利用3D打印優化流體噴嘴設計的還有商用攪拌機制造商 。其設計團隊對一款商用攪拌機的噴嘴進行了多次設計迭代，在該部件開發過程中，Vitamix 應用了3D打印技術。但是在初期的設計迭代中，設計師仍采用注塑生產時所采用的設計方案，這種方式仍需在完成制造后進行組裝。
Vitamix 設計團隊在多次優化設計的過程中，得以突破設計自由度和設計優化的界限，把目標放在實現噴嘴的性能功能上，最終將這個噴嘴設計優化成一個單一的功能集成零件。此時的噴嘴沒有裝配要求，實現了進一步設計優化。優化后的一體化噴嘴具有300微米的孔和復雜的微流體通道結構，使用材料減少了30％，制造的手工勞動減少了55％，噴嘴的成本降低約33％，新噴嘴的耐用性提高了10倍以上。這款功能集成的噴嘴將通過3D打印技術進行批量生產。參考閱讀：兩個案例看光聚合3D打印在塑料件生產中的應用
3D打印一體化結構是一種具有代表性的為增材制造而設計（Design for additive manufacturing，DfAM）的結構。在工作中，設計工程師會遇到很多挑戰，存在的痛點包括如何獲得最優的結構形狀，如何將最優的結構形狀與最優的產品性能相結合起來設計等。尤其是針對3D打印的技術特點，設計工程師需要突破自身思維的束縛。
制造業用戶以及國內外3D打印企業進行訪談的過程中感受到，制造工程師在重新考慮如何利用3D打印技術，以增材制造的思維去設計時，需要突破以往通過鑄造、壓鑄、機械加工制造所帶來的思維限制，這個過程是充滿挑戰的。
突破傳統設計思維的限制是一個需要用戶與3D打印企業長期共同努力的過程。除此之外，增材制造軟件的應用也是推動增材制造思維的力量。近年來，Ansys、Autodesk 、Altair solidThinking 等軟件公司為設計師提供了智能化的為增材制造而設計的工具。歐特克netfabb和Materialise 3-matic和Magics等軟件，為培養增材制造(DfAM)理念提供了相關的深化軟件，這些軟件具有支持文件編輯、切片、以及點陣結構設計和拓撲優化零件的變形模擬等功能，將設計與3D打印有效的結合起來。而對于復雜的工程來說，還需要更大的端到終端的軟件解決方案的支持。例如，西門子的PLM增材制造產品生命周期管理系統和達索的3DExperience平臺，這些軟件都將DfAM的理念進一步演繹到更系統化的范疇內。
(責任編輯：admin)
3D打印市場規模不斷擴大，
工信部：去年全球3D打印產
2020年，全球3D打印產業規
工業級3D打印設備占主流，
3D打印，制造業的未來
三年后市場規模可達56億，
